Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

लगभग एक सदी से, वैज्ञानिक यह समझने के लिए एक सरल परीक्षण का उपयोग करते हैं कि सामग्रियां अपने अतीत को कैसे याद रखती हैं। लोहे के एक टुकड़े पर चुंबकीय क्षेत्र लागू करके और फिर उसे धीरे-धीरे उलटकर, वे एक अंतराल (लैग) देखते हैं: जब बाहरी बल बदलता है, तो सामग्री तुरंत अपनी चुंबकीय दिशा नहीं बदलती है। इसके बजाय, यह प्रतिरोध करती है, अपनी मूल स्थिति को तब तक थामे रखती है जब तक कि विरोधी बल इतना मजबूत न हो जाए कि उसकी पकड़ तोड़ सके। हिस्टेरेसिस (hysteresis) के रूप में जानी जाने वाली यह घटना, इस बात का कारण है कि चुंबक डेटा संग्रहीत कर सकते हैं और क्यों कुछ सामग्रियां मेमोरी डिवाइस के रूप में कार्य करती हैं। रोजमर्रा की भौतिकी की शास्त्रीय दुनिया में, यह व्यवहार अच्छी तरह से समझा गया है और यह स्थिर चुंबकीय क्षेत्रों के अस्तित्व पर निर्भर करता है जो परिवर्तन का विरोध करते हैं। हालांकि, शास्त्रीय भौतिकी का एक मौलिक नियम कहता है कि चुंबकीय परमाणुओं की एक आयामी रेखा (one-dimensional line) में, ऐसा प्रतिरोध असंभव होना चाहिए। जटिल, स्थिर संरचनाएं बनाने के लिए अतिरिक्त आयाम के बिना, ये रेखाएं लागू क्षेत्र के साथ तुरंत और पूरी तरह से बदल जानी चाहिए, जिससे कोई स्मृति (मेमोरी) नहीं दिखनी चाहिए।

यह आधुनिक भौतिकी के लिए एक पहेली जैसी स्थिति पैदा करता है। शोधकर्ताओं ने हाल ही में शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग करना शुरू किया है, विशेष रूप से जटिल अनुकूलन समस्याओं को हल करने के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरणों का, ताकि चुंबकीय सामग्रियों का अनुकरण (simulate) किया जा सके। ये मशीनें परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान पर काम करती हैं और क्वांटम यांत्रिकी के अजीब नियमों का उपयोग करती हैं, जहाँ कण एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकते हैं और बाधाओं के माध्यम से टनल (tunnel) कर सकते हैं। क्योंकि ये क्वांटम सिस्टम फंसी हुई अवस्थाओं से बचने और सर्वोत्तम समाधान को जल्दी खोजने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, उनसे उम्मीद की गई थी कि वे उन्हीं मेमोरी प्रभावों को समाप्त कर देंगे जो हिस्टेरेसिस का कारण बनते हैं। फिर भी, जब वैज्ञानिकों ने इन मशीनों पर प्रयोग किए, तो उन्होंने पाया कि इसके विपरीत हुआ। हजारों क्वांटम बिट्स की एक आयामी रेखाओं में भी, सिस्टम तुरंत पलटने से इनकार कर गया। इसने एक हठधर्मी प्रतिरोध प्रदर्शित किया, इसकी पिछली स्थिति की एक स्पष्ट स्मृति, और एक ऐसा अंतराल दिखाया जो शास्त्रीय अपेक्षाओं को चुनौती देता है। यह खोज बताती है कि क्वांटम यांत्रिकी, स्मृति को मिटाने के बजाय, पूरी तरह से नए प्रकार की स्मृति बना सकती है।

एक नए अध्ययन में, लॉस एलोमोस नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस आश्चर्यजनक व्यवहार को समझने के लिए हाथ बढ़ाया। उन्होंने तीन अलग-अलग पीढ़ियों के डी-वेव (D-Wave) क्वांटम एनीलर्स का उपयोग किया, जो हजारों सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स वाले विशेष कंप्यूटर हैं। शोधकर्ताओं ने इन मशीनों को चुंबकीय स्पिन की लंबी रिंगों के रूप में कार्य करने के लिए प्रोग्राम किया, जिनमें 4,906 व्यक्तिगत इकाइयाँ तक शामिल थीं। फिर उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जो दिशा बदल रहा था, जो क्लासिक हिस्टेरेसिस परीक्षण की नकल करता है। परिणाम चौंकाने वाले थे। एक-आयामी रिंगों में भी, जहाँ शास्त्रीय भौतिकी किसी प्रतिरोध की भविष्यवाणी करती है, क्वांटम सिस्टम ने एक विशिष्ट "कोएर्सिविटी" (coercivity) दिखाई, जो चुंबकत्व को पलटने की कठिनाई का एक माप है। सिस्टम केवल पलटा नहीं; इसने हिचकिचाहट दिखाई, जिससे डेटा में एक लूप बना जो साबित करता था कि वह अपनी पिछली दिशा को याद रख रहा था। यह स्मृति उन क्षेत्रों में भी बनी रही जहाँ शास्त्रीय सिद्धांत के अनुसार यह वर्जित होना चाहिए था।

यह कैसे होता है, इसे समझाने के लिए, टीम ने एक नया सैद्धांतिक ढांचा विकसित किया जो समस्या को देखने के दो अलग-अलग तरीकों को जोड़ता है। उन्होंने महसूस किया कि सिस्टम एक क्वांटम मशीन और एक शास्त्रीय मशीन के हाइब्रिड की तरह व्यवहार करता है। क्वांटम पक्ष पर, सिस्टम ऊर्जा अवस्थाओं के बीच तीव्र, असतत छलांग (discrete jumps) लगाता है, जो एक दीवार के माध्यम से टनल करने वाले कण के समान है। शास्त्रीय पक्ष पर, एक बार जब ये छलांगें होती हैं, तो सिस्टम अलग-अलग चुंबकीय संरेखण वाले क्षेत्रों को अलग करने वाली गतिशील सीमाओं, या "डोमेन वॉल्स" (domain walls) के एक संग्रह की तरह व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह स्मृति प्रभाव इन दो प्रक्रियाओं के बीच के परस्पर प्रभाव से उत्पन्न होता है। क्वांटम छलांग ऐसी उत्तेजित अवस्थाएँ (excited states) बनाती हैं जो निम्नतम ऊर्जा विन्यास नहीं होती हैं, और डोमेन वॉल्स की गति यह निर्धारित करती है कि सिस्टम कितनी जल्दी स्थिर अवस्था में वापस आ सकता है। क्योंकि सिस्टम कुछ समय के लिए इन उत्तेजित अवस्थाओं में फंसा रहता है, इसलिए यह तुरंत नहीं पलट सकता, जिससे देखा गया अंतराल पैदा होता है।

अध्ययन ने पुष्टि की कि यह व्यवहार केवल हार्डवेयर की खराबी नहीं है बल्कि एक वास्तविक भौतिक घटना है। शोधकर्ताओं ने विशिष्ट संकेतों को देखा जो केवल एक क्वांटम सिस्टम ही उत्पन्न कर सकता है, जैसे कि चुंबकीय क्षेत्र के प्रति अस्थायी नकारात्मक प्रतिक्रिया और गैर-मोनोटोनिक रिवर्सल (non-monotonic reversals), जहाँ चुंबकत्व स्थिर होने से पहले एक जटिल पैटर्न में आगे-पीछे होता है। इन विशेषताओं को उनके कंप्यूटर सिमुलेशन में भी पुनरुत्पादित किया गया, जिसमें एक ऐसी विधि का उपयोग किया गया जो सटीक क्वांटम संक्रमणों की गणना और चुंबकीय सीमाओं की गति के मॉडलिंग के बीच बारी-बारी से चलती है। सिमुलेशन ने क्वांटम एनीलर्स से प्राप्त प्रयोगात्मक डेटा के साथ लगभग पूरी तरह से मिलान किया, जिससे हिस्टेरेसिस लूप के आकार और क्षेत्र स्वीप (field sweep) की गति के साथ स्मृति प्रभाव के बदलने के तरीके को पकड़ा जा सका।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह है कि यह क्वांटम स्मृति साधारण सामग्रियों में देखी जाने वाली थर्मल मेमोरी से अलग है। एक मानक चुंबक में, ऊष्मा सामग्री को पलटने में मदद करती है। इन क्वांटम प्रयोगों में, स्मृति तब भी बनी रहती है जब सिस्टम इतना ठंडा होता है कि थर्मल उतार-चढ़ाव नगण्य होते हैं। इसके बजाय, स्मृति इस बात से संचालित होती है कि चुंबकीय क्षेत्र के बदलने की गति और क्वांटम अवस्थाओं के बीच के प्राकृतिक ऊर्जा अंतराल के बीच क्या प्रतिस्पर्धा है। यदि क्षेत्र बहुत तेज़ी से बदला जाता है, तो सिस्टम तालमेल नहीं बिठा पाता और उच्च-ऊर्जा अवस्था में फंस जाता है। यदि इसे धीरे-धीरे बदला जाता है, तो सिस्टम को रिलैक्स होने का समय मिलता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि क्वांटम बलों की ताकत और स्वीप की गति को ट्यून करके, वे स्मृति प्रभाव के आकार को नियंत्रित कर सकते थे, जिससे हिस्टेरेसिस लूप को इच्छानुसार छोटा या बड़ा किया जा सकता था।

टीम ने यह भी पता लगाया कि सिस्टम का आकार इस व्यवहार को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने चार क्यूबिट से लेकर लगभग पाँच हजार तक की रिंगों का परीक्षण किया। सबसे छोटे सिस्टम में, क्वांटम प्रभाव सबसे अधिक स्पष्ट थे, लेकिन स्मृति प्रभाव सबसे बड़ी रिंगों में भी मजबूत बना रहा। यह सुझाव देता है कि यह घटना कोई छोटे पैमाने की विसंगति नहीं है बल्कि यह एक मौलिक गुण है कि क्वांटम सिस्टम गैर-संतुलन (out of equilibrium) की स्थिति में कैसे विकसित होते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि द्वि-आयामी ग्रिड में, व्यवहार अलग था, जिसमें स्पिन को पलटने के लिए मजबूत चुंबकीय व्यवस्था और बड़े क्षेत्रों की आवश्यकता थी, जो शास्त्रीय चुंबकों के बारे में ज्ञात है। हालाँकि, एक-आयामी रिंग सबसे आश्चर्यजनक बनी रहीं, क्योंकि उन्होंने उस स्तर का प्रतिरोध दिखाया जो शास्त्रीय भौतिकी के अनुसार मौजूद नहीं होना चाहिए।

यह कार्य क्वांटम एनीलर्स को गैर-संतुलन गतिकी (non-equilibrium dynamics) के अध्ययन के लिए शक्तिशाली उपकरण के रूप में स्थापित करता है, जो उस क्षेत्र से संबंधित है जो यह देखता है कि सिस्टम शांत अवस्था में बैठने के बजाय धकेले जाने और खींचे जाने पर कैसा व्यवहार करते हैं। यह प्रदर्शित करके कि ये मशीनें प्रोग्राम करने योग्य स्मृति प्रदर्शित कर सकती हैं, शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है कि क्वांटम सिस्टम सूचना को कैसे संसाधित करते हैं और इतिहास को कैसे बनाए रखते हैं। इन प्रभावों को एक प्रोग्राम करने योग्य डिवाइस में देखने और नियंत्रित करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब क्वांटम स्मृति और चरण संक्रमण (phase transitions) के बारे में सिद्धांतों का परीक्षण उस तरह से कर सकते हैं जो पहले असंभव था। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने क्वांटम चुंबकत्व के सभी रहस्यों को सुलझा लिया है, लेकिन यह एक स्पष्ट, प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित चित्र प्रदान करता है कि कैसे स्मृति क्वांटम संक्रमणों और डोमेन वॉल मोशन के अराजक नृत्य से उत्पन्न होती है।

इन निष्कर्षों के निहितार्थ केवल प्रयोग में उपयोग की गई विशिष्ट मशीनों तक सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं द्वारा विकसित हाइब्रिड मॉडल, जो क्वांटम गणनाओं को गतिशील सीमाओं के शास्त्रीय विवरणों के साथ मिलाता है, जटिल चुंबकीय सामग्रियों का अनुकरण करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को बेहतर चुंबकीय भंडारण उपकरण डिजाइन करने या उन विलक्षण सामग्रियों के व्यवहार को समझने में मदद कर सकता है जो मानक श्रेणियों में फिट नहीं होती हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह उजागर करता है कि क्वांटम कंप्यूटर केवल तेज़ कैलकुलेटर नहीं हैं; वे अद्वितीय प्रयोगशालाएँ हैं जहाँ भौतिकी के मौलिक नियमों का परीक्षण और हेरफेर किया जा सकता है। एक एक-आयामी क्वांटम सिस्टम में हिस्टेरेसिस का अवलोकन इस बात की याद दिलाता है कि प्रकृति अक्सर ऐसे आश्चर्य पेश करती है जो हमारी सबसे बुनियादी धारणाओं को चुनौती देते हैं, और कि क्वांटम और शास्त्रीय दुनिया के बीच की सीमा पहले की तुलना में बहुत अधिक पारगम्य (porous) है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इन प्रयोगों में देखी गई स्मृति एक वास्तविक क्वांटम प्रभाव है, जो सिस्टम के अवस्थाओं के बीच संक्रमण करने और रिलैक्स होने के विशिष्ट तरीके से उत्पन्न होती है। उन्होंने इस संभावना को खारिज कर दिया कि परिणाम केवल गर्मी या शास्त्रीय शोर के कारण थे, क्योंकि व्यवहार उन स्थितियों में भी बना रहा जहाँ वे कारक नगण्य होने चाहिए थे। इसके बजाय, स्मृति चुंबकीय क्षेत्र के बदलते रहने के प्रति सिस्टम की तुरंत अनुकूल न हो पाने का सीधा परिणाम है, एक ऐसा अंतराल जो क्वांटम संक्रमणों के होने में लगने वाले सीमित समय और परिणामस्वरूप चुंबकीय डोमेन के पुनर्गठन द्वारा निर्मित होता है। यह कार्य इस बात का ठोस उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे क्वांटम यांत्रिकी सामूहिक व्यवहार उत्पन्न कर सकती है जो शास्त्रीय सामग्रियों की क्षमताओं के समान है, और कुछ मामलों में उनसे अधिक भी है। यह सुझाव देता है कि इन क्वांटम स्मृति प्रभावों को समझकर और उनका उपयोग करके, हम नए प्रकार के कंप्यूटिंग और सेंसिंग प्रौद्योगिकियों को विकसित कर सकते हैं जो उन सिद्धांतों पर आधारित हैं जिन्हें हम अभी समझना शुरू कर रहे हैं।